董振斌，蒯狄正

（國網(wǎng)江蘇省電力公司，南京 210024）

以壓縮空氣儲能耦合燃機技術促進東北新能源就地消納

董振斌，蒯狄正

（國網(wǎng)江蘇省電力公司，南京 210024）

針對東北地區(qū)棄風嚴重、供熱與調(diào)峰困難的狀況，首先比較了幾種主流解決棄風問題的技術手段的優(yōu)缺點，提出利用壓縮空氣儲能耦合燃機技術可以保持熱負荷連續(xù)供應，同時可以靈活移峰填谷。介紹了壓縮空氣儲能與燃機的耦合原理和壓縮空氣儲能、儲能發(fā)電與混合發(fā)電3種運行模式。最后基于東北地區(qū)典型的電力和供熱曲線，通過利用壓縮空氣儲能耦合燃機技術，可以實現(xiàn)棄風量為零，并指出多能互補技術是解決東北新能源消納的有效手段。

壓縮空氣；儲能；燃機；耦合；棄風

1 東北地區(qū)能源特點

東北區(qū)域是國家重要的清潔能源基地，潛在開發(fā)規(guī)模十分巨大。但作為全國唯一沒有特高壓電網(wǎng)的行政區(qū)域，東北電網(wǎng)僅通過輸送能力為300萬kW的500 kW線路與華北電網(wǎng)相連。東北電網(wǎng)風電資源非常豐富，但富余電量無法外送，窩電棄風現(xiàn)象頻發(fā)［1］，已經(jīng)連續(xù)多年被棄風問題困擾，而且棄風量正逐步劇增。

東北地區(qū)供熱期與大風期長期重合，雖然地方政府和電網(wǎng)公司共同采取措施促進用電需求增長，但受客觀條件限制，收效不十分明顯，供熱機組與清潔能源相互擠占有限的發(fā)電空間，調(diào)峰困難正成為東北棄風的主要原因。特別是火電機組中供熱機組受熱電約束［2］，加劇了調(diào)峰難度［3—4］。尤其是進入冬季以后，為保證居民供熱，熱電機組開機較多，即使所有風電停發(fā)，2016年熱電機組冬季以最小運行方式的基礎上再壓出力370萬kW，東北地區(qū)電源仍富余240萬kW。節(jié)假日等用電低谷時段情況更為嚴峻，熱電機組長期異常方式運行，嚴重威脅電網(wǎng)安全運行，無法保證居民供熱質(zhì)量，保供熱惠民生壓力巨大。

因此利用東北地區(qū)大型綜合能源基地風能、儲能和光伏等資源組合優(yōu)勢，通過多能互補技術［5-6］，實施風電清潔供暖工程，開展可再生能源就近消納試點，推進風光儲多能互補系統(tǒng)建設運行，提升能源系統(tǒng)的綜合效率，可緩解能源供需矛盾。

2 解決“棄風”問題的主要技術方法比較

目前解決東北地區(qū)“棄風”問題的主流技術方法包括儲熱、蓄熱電鍋爐、化學電池儲能、抽水蓄能調(diào)節(jié)和采用天然氣燃機和壓縮空氣儲能耦合等。表1為主要技術方法分析比較。

從表1可以看出，采用天然氣燃機與壓縮空氣儲能耦合技術手段的作用和優(yōu)點非常明顯，其缺點是設備集成難度較大。某集團與制造廠聯(lián)合，解決了燃機輪機與壓縮空氣儲能設備集成的關鍵技術，并獲得相關國家發(fā)明專利。

表1 解決東北地區(qū)“棄風”問題主要技術方法分析比較

3 壓縮空氣儲能與燃機的耦合原理

通常在燃氣輪機中，壓氣機是由燃氣透平膨脹做功來帶動的。在燃氣輪機啟動的時候，首先需要外界動力，一般是啟動機帶動壓氣機，直到燃氣透平發(fā)出的機械功大于壓氣機消耗的機械功時，外界啟動機脫扣，燃氣輪機才能自身獨立工作。但是傳統(tǒng)的燃氣輪機由于串聯(lián)在同一根軸上面聯(lián)動工作，所以其工作的靈活性受到了極大的限制。此外，壓氣機的功耗占比很大，嚴重制約了發(fā)電量。

針對燃氣輪機工作時壓氣機消耗自身功率問題，提出了一種模式可切換的燃機發(fā)電系統(tǒng)，特點在于可以根據(jù)不同的工況進行壓氣儲能模式、儲能發(fā)電模式與常規(guī)發(fā)電模式的自動切換，通過壓縮空氣儲能單元與燃氣輪機循環(huán)耦合，將過剩的能量以內(nèi)能的形式儲存在壓縮空氣罐中，在燃氣輪機工作時，利用釋放壓縮空氣代替壓氣機工作，增加機械功輸出。整個系統(tǒng)以壓縮空氣作為“緩沖”，實現(xiàn)“削峰填谷”的調(diào)節(jié)作用，為提升能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供保障，有望成為今后分布式能源系統(tǒng)工程建設的范例，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 燃氣輪機與壓縮空氣儲能耦合系統(tǒng)原理圖

壓氣儲能模式下，壓氣機在工作狀況時，燃氣透平與電機處于斷開狀態(tài)，此時同步電機處于電動機模式。同步電機利用富裕風電或電網(wǎng)低谷電帶動壓氣機做功，產(chǎn)生高壓氣體，同時空氣壓縮過程釋放出大量熱能可用于連續(xù)供熱。

儲能發(fā)電模式下，在燃氣透平的進口空氣為其儲氣罐中的壓縮空氣，壓氣機不工作，燃氣輪機與電機處于連接狀態(tài)，此時同步電機處于發(fā)電機模式。燃氣透平帶動同步電機做功發(fā)電，并將所發(fā)電并至電網(wǎng),由于沒有帶動壓氣機工作,此時燃機發(fā)電功率將倍增。

混合發(fā)電模式下，壓氣機處的可調(diào)節(jié)離合器處于聯(lián)動狀態(tài)，燃氣透平處的不可調(diào)節(jié)離合器亦處于聯(lián)動狀態(tài)，此時同步電機作發(fā)電機用。壓氣機、同步電機、燃氣透平同軸連接，燃氣輪機帶動同步電機和壓氣機工作，壓氣機產(chǎn)生的高壓氣體進入燃燒室進行混合燃燒。

與現(xiàn)有技術相比，壓縮空氣儲能與燃機的耦合具有以下優(yōu)點：①壓氣機與同步電機、燃氣透平與同步電機之間分別使用離合器連接，提高了系統(tǒng)變化的靈活性；②離合器的設置使得本系統(tǒng)可以切換多種模式，可滿足不同工況下的模式切換要求，比傳統(tǒng)燃機機組具有更廣的使用范圍；③使用同步電機代替原有的發(fā)電機，既可作電動機用，亦可做發(fā)電功能；④在外部提供高壓氣源的情況下，燃氣輪機僅帶動同步電機做功，可以節(jié)省壓氣機的做功，約節(jié)省2/3的能量。

4 壓縮空氣儲能與燃機耦合的控制效果

圖2是冬季電力負荷、供熱負荷、棄風功率和改造后的棄風功率一天的運行曲線特性對比示意圖。由于目前的以熱定電模式，導致棄風功率運行曲線基本跟隨供電負荷運行曲線變化，當電力負荷最高時，棄風量也達到最大。而采用燃機輪機與壓縮空氣耦合技術后，通過靈活調(diào)節(jié)燃氣輪機與壓縮空氣儲能系統(tǒng)的運行模式，同時改變目前的以熱定電模式，可以做到100%利用風電可再生資源進行供暖和供電，因此棄風量為零。

圖2 運行曲線示意圖

5 建議與展望

《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出，推動能源生產(chǎn)供應集成優(yōu)化，構建多能互補、供需協(xié)調(diào)的智慧能源系統(tǒng)，并將“實施多能互補集成優(yōu)化工程”列為“十三五”能源發(fā)展的主要任務，風光水火儲多能互補工程是“十三五”能源系統(tǒng)優(yōu)化重點工程。多能互補是對太陽能、風能、天然氣分布式能源、熱泵、儲能等多種能源進行優(yōu)化組合配置，在系統(tǒng)內(nèi)互補運行，取長補短，以更好地滿足用戶負荷需求。因此針對東北地區(qū)的能源現(xiàn)狀和特點，在棄風棄光時段將風電、光伏等新能源存儲在壓縮空氣中，然后通過燃氣輪機將壓縮空氣存儲的能量釋放出來為用戶提供電力和供熱需求是一種合理有效的用能方式。后期可通過建設多能互補的供能系統(tǒng)，加快太陽能、風能、水電、生物質(zhì)能等可再生能源的分布式開發(fā)利用，發(fā)揮各類能源的優(yōu)勢，達到“1+1>2”的效果，提高能源系統(tǒng)供能的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。

［1］ 國家能源局.2015年風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況［EB/OL］.（2016-02-02）［2016-06-12］.http://www.nea.gov.cn/2016-02/02/c_135066586.htm

［2］ 裴哲義，王新雷，董存，等.東北供熱機組對新能源消納的影響研究及熱電解耦措施［J］.電網(wǎng)技術，2017，41（6）：90-96.

［3］ 牛東曉，李建鋒，魏林君，等.跨區(qū)電網(wǎng)中風電消納影響因素分析及綜合評估方法研究［J］.電網(wǎng)技術，2016，40（4）：1 087-1 093.

［4］ 呂泉，王偉，韓水，等.基于調(diào)峰能力分析的電網(wǎng)棄風情況評估方法［J］.電網(wǎng)技術，2013（7）：1 887-1 894.

［5］ 盛四清，張立.基于風光火多能互補的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度［J］.2016，53（22）：66-71.

［6］ 張樂平.多能互補——促進可再生能源發(fā)展的有效途徑［J］，西北水電，2015（1）：7-12.

［7］ 石成忠，張強.東北地區(qū)棄風供熱可行性分析［J］.風能產(chǎn)業(yè)，2016（8）：9-12.

［8］ 江全元，龔裕仲.儲能技術輔助風電并網(wǎng)控制的應用綜述［J］.電網(wǎng)技術，2015，39（12）：3 360-3 368.

［9］ 張川，楊雷，牛童陽，等.平抑風電出力波動儲能技術比較及分析［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2015，43（7）：149-154.

［10］ 劉世林，文勁宇，孫海順，等.風電并網(wǎng)中的儲能技術研究進展［J］.2013，41（23）：145-153.

［11］ 王成山，武震，楊獻莘，等.基于微型壓縮空氣儲能的混合儲能系統(tǒng)建模與實驗驗證［J］.電力系統(tǒng)自動化，2014，38（23）：22-26.

［12］ 劉暢，徐玉杰，胡珊，等.壓縮空氣儲能電站經(jīng)濟性分析［J］.儲能科學與技術，2015，4（2）：158-168.

［13］ 田崇翼，張承慧，李珂，等.含壓縮空氣儲能的微網(wǎng)復合儲能技術及其成本分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2015，39（10）：36-41.

Promote new energy consumption nearby in Northeast China with compressed air energy storage coupling gas turbine technology

DONG Zhen-bin,KUAI Di-zheng
（State Grid Jiangsu Electric Power Company,Nanjing 210024,China）

According to the serious condition of abandoned wind,difficulties in heat supplying and peak modulating in Northeast China,firstly this paper compares advantages and disadvantages of several main solutions to abandoned wind technology.Secondly compressed air energy storage coupling gas turbine technology is proposed and this technology not only keeps heat load supplying continuously,but also makes the ability of peak shaving and valley filling flexible and reliable.Then the principle of compressed air energy storage coupling gas turbine is introduced,and three kinds of operating modes based on air energy storage,energy storage generation and hybrid generation are also introduced.Lastly,based on the typical electricity and heating curve in Northeast China,the proposed technology can assure that there is no abandoned wind.Meanwhile,it pointed out that multi energy complementary technology is the best way to solve new energy consumption in Northeast China.

compressed air;energy storage;gas turbine;coupling;abandoned wind

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.05.006

F407.61；TK018

C

2017-06-21